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1,、生物工程設(shè)備,過濾、離心與膜分離設(shè)備教學(xué)講義,過濾,、離心與膜分離設(shè)備,8.1 概述8.2 過濾速度的強(qiáng)化8.3 過濾設(shè)備8.4 離心分離設(shè)備 8.5 膜分離設(shè)備,8.1 概述,8.1.1 分離過程的分類 生物工業(yè)中,，最后一個(gè)環(huán)節(jié)是把目的產(chǎn)物從培養(yǎng)液或反應(yīng)液中分離出來。分離的方法常用的有機(jī)械分離和傳質(zhì)分離兩大類,。機(jī)械分離過程的分離對(duì)象是由兩相以上組分組成的混合物,，其目的只是簡(jiǎn)單地將各項(xiàng)加以分離。例如過濾,、沉降,、離心分離等。傳質(zhì)分離過程用于各種均相混合物的分離,，其特點(diǎn)是有質(zhì)量傳遞現(xiàn)象發(fā)生,。按所依據(jù)的物理化學(xué)原理不同，工業(yè)上常用的傳質(zhì)分離過程又分兩大類：即平衡分離過程和速率分離過程,。,8.1 概述,

2,、8.1.2 過濾 、離心與膜分離及性能比較1過濾 過濾是傳統(tǒng)的化工單元操作,，其原理是使物料通過固態(tài)過濾介質(zhì)時(shí),，固態(tài)懸浮物與溶液分離。如液相中谷氨酸鈉,、檸檬酸晶體的分離,。2離心分離 離心分離是基于分離體系中固液和液液兩相密度存在差異，在離心場(chǎng)中使不同密度的兩相相分離的過程,。靜置混合液時(shí),，密度較大的固體顆粒或重液在重力的作用下逐漸下沉,，這一過程稱為沉降,。,8.1 概述,3膜分離技術(shù) 膜分離是利用膜的選擇性，以膜的兩側(cè)存在一定的能量差為推動(dòng)力，膜分離常用的膜有微濾膜,、超濾膜,、電滲析膜和反滲透膜等。 過濾 ,、離心與膜分離是生物工業(yè)中常用的分離方法,，其分離原理、性能特征比較見表8-1：,8.1 概述,表

3,、8-1 生物工業(yè)中常用的分離方法性能比較,返回,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,8.2.1 發(fā)酵液的預(yù)處理 發(fā)酵液預(yù)處理的方法很多,，針對(duì)不同的對(duì)象，如懸浮液中的液相,、固相,、或者懸浮液本身來進(jìn)行，現(xiàn)分述如下：1調(diào)整液體的粘度（液相預(yù)處理） 固體顆粒的沉降速度,、濾液的過濾速率均與液體的粘度成反比,。因此，降低液體的粘度,，有利于固液的分離,。實(shí)際生產(chǎn)中降低液體粘度的方法有以下兩種。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,（1）提高液體的溫度,。液體的粘度隨溫度升高而降低,，例如水的溫度從20升到50時(shí)，粘度下降50% ,。這種方法簡(jiǎn)單易行,，但應(yīng)注意的是，溫度升到一定程度后,，其對(duì)粘度的影響就越來越小,。（2）用低粘度液體稀釋。這種方法

4,、由于低粘度的稀釋劑價(jià)格高需回收,、增加處理量等不足而在實(shí)際中應(yīng)用較少。只在必要如石油脫臘時(shí)才采用,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,2凝聚和絮聚（固相的預(yù)處理） 固相預(yù)處理是一個(gè)固體顆粒增大的過程，通過增大固相顆粒的沉降速度或?yàn)V餅層的滲透性,，從而提高沉降速度和過濾速度,，得到好的分離效果。(1) 凝聚 凝聚是將一種無機(jī)電解質(zhì)（凝聚劑）加入到懸浮液中,，通過電荷中和降低固相離子表面電荷以及由此產(chǎn)生的顆粒間的相互排斥力,，使得固相顆粒有可能在范德華力的作用下相互靠近并產(chǎn)生碰撞而黏附成粗大的粒子。常用的凝聚劑有：硫酸鋁、氯化鋁,、聚合氯化鋁,、三氯化鐵、硫酸亞鐵等,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,（2）絮聚 絮聚是將一種高分

5,、子電解質(zhì)（絮聚劑）加入到懸浮液中，借高分子電解質(zhì)的長(zhǎng)鏈作用,，與離子產(chǎn)生靜電作用,，捕獲粒子，中和電荷,，粘結(jié)顆粒,，以及在固相粒子間搭橋，使顆粒不斷凝結(jié)為較大的絮塊,。絮聚劑具有長(zhǎng)鏈線狀結(jié)構(gòu),，是一種水溶性聚合物，相對(duì)分子質(zhì)量可高達(dá)數(shù)萬至一千萬以上,，在長(zhǎng)鏈節(jié)上含有許多活性功能團(tuán),。它們通過靜電引力、分子間力或氫鍵作用,，強(qiáng)烈地吸附在膠粒的表面,，一個(gè)高分子聚合物的許多鏈節(jié)分別吸附在不同顆粒的表面上，形成架橋連接,，生成粗大的絮團(tuán),。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,常用的絮聚劑主要是聚丙稀酰胺及其衍生物，分子量為（0.520）10,，其按電性分為中性絮聚劑（非離子型）,、陰離子型絮聚劑和陽離子型絮聚劑三種。陽離子型絮聚劑的分

6,、子量（510）一般比非離子型和陰離子型的低,，但價(jià)格較貴，常用的有聚胺,、丙稀酰胺共聚物等,。 影響凝聚和絮聚的因素主要有絮凝劑的用量（最佳用量是絮凝劑全部被吸附在固相粒子表面上，且絮塊的沉降速度最大）,，pH值和離子強(qiáng)度,，絮凝劑分子量的大小和分布，絮凝劑在懸浮液中均布程度以及懸浮液的溫度等,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,3. 固相增濃 對(duì)于細(xì)粒級(jí)固相懸浮液,，低濃度料漿所形成的濾餅通常比高濃度料漿所形成的濾餅過濾阻力大，因此，提高固相濃度可改善過濾性能,，提高單位面積的濾液通過量,。提高懸浮液固相濃度的方法有兩種：一是在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下添加助濾劑，如硅藻土,、膨脹珍珠鹽粉,、纖維素或碳粉等，使固相濃度增加,；

7,、二是用沉降裝置，如重力沉降槽,、旋流器等進(jìn)行預(yù)增濃,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,4. 加入反應(yīng)劑 加入反應(yīng)劑和某些可溶性鹽類與懸浮液反應(yīng)生成不溶性沉淀，如CaSO4,、AIPO4等,。生成的沉淀能防止菌絲體黏結(jié)，使菌絲具有塊狀結(jié)構(gòu),，同時(shí)沉淀還可作為助濾劑,，使懸浮液凝固，從而改變過濾性能,。正確選擇反應(yīng)劑和反應(yīng)條件,，能使過濾速度提高310倍。 如發(fā)酵液中含有不溶性多糖物質(zhì),，最好用酶將它轉(zhuǎn)化為單糖,，以便提高過濾速度。例如,，萬古霉素用淀粉作培養(yǎng)基,，發(fā)酵液過濾前加入0.025%的淀粉酶，攪拌30分鐘后,，再加入2.5%硅藻土助濾劑,，可使過濾速度提高5倍。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,8.2.2 過濾介質(zhì)選擇1.工業(yè)中

8,、常用過濾介質(zhì)的種類（1）濾布濾布的織法有三種：平紋,、斜紋以及緞紋織法。平織可得到最為緊密的濾布構(gòu)造,，因而孔隙最小,，鍛紋織濾布的孔隙最大，斜紋織法的孔隙大小居中,。正因?yàn)槠郊y布的孔隙最小，所以它的顆粒截留性最好，而且價(jià)格便宜,，但易發(fā)生堵塞,；斜紋織法的截留能力和發(fā)生堵塞的程度都居中，抗摩擦能力很強(qiáng),，過濾速度也大,；緞紋濾布的孔隙最大。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,濾布的材料構(gòu)成可以是棉,、毛,、絲、麻等天然纖維和各種化學(xué)合成纖維,。普通棉纖維具有較好的強(qiáng)度,，價(jià)格低廉，但只能在不超過100條件下使用,，當(dāng)溫度較高時(shí)迅速喪失其強(qiáng)度,，且不耐腐蝕；毛織濾布的截留能力稍遜于棉織濾布,，在彈性方面要優(yōu)于棉織濾布,，但價(jià)格稍貴；絲

9,、的耐酸穩(wěn)定性大致相當(dāng)于毛,，耐堿穩(wěn)定性則介于棉、毛之間,。絲織濾布對(duì)懸浮液中的固相顆粒有令人滿意的截留性,，同時(shí)對(duì)液相有足夠的滲透性。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,（2）濾網(wǎng) 一般濾網(wǎng)的材質(zhì)是不銹鋼和黃銅,，也采用莫涅耳鎳銅合金,、青銅、鎳,，甚至碳素鋼,。由于采用了金屬材質(zhì)，濾網(wǎng)具有耐磨性,、耐高溫性和耐腐蝕性等特點(diǎn),，此外，它們?cè)诠ぷ髦胁粫?huì)出現(xiàn)收縮和延伸現(xiàn)象,，使用壽命長(zhǎng),。 濾網(wǎng)可以用不同粗度的線材，采用平紋織法和斜紋織法制造出各種各樣的濾網(wǎng),。濾網(wǎng)常常用在葉濾機(jī)和轉(zhuǎn)鼓過濾機(jī)上,，除了能給助濾劑層提供良好的表面以進(jìn)行助濾劑過濾外,，還可以在無助濾劑的情況下使用。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,（3）剛性多孔介質(zhì) 剛性多孔介質(zhì)

10,、是將陶瓷,、塑料、金屬等粉末燒結(jié)而成的,。燒結(jié)時(shí)可加入粘結(jié)劑,，也可不加，并通過控制原料粉末細(xì)度,、溫度,、壓力及燒結(jié)時(shí)間，可以得到孔隙均勻,、滲透性各異的剛性多孔介質(zhì),。剛性多孔介質(zhì)的形狀，可以是筒狀,、盤狀和板狀,。其中，圓筒狀元件適于加壓過濾,，而板狀適于重力過濾和真空過濾,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,（4）松散固體介質(zhì) 松散固體介質(zhì)有硅藻土、珍珠鹽粉,、細(xì)紗,、活性碳、白土等,。填充于過濾器內(nèi),，用于澄清過濾，最常用的是硅藻土,。它性質(zhì)優(yōu)良：一般不與酸堿反應(yīng),，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)改變液體組成,；形狀不規(guī)則,，孔隙大且多孔，具有很大的吸附表面,；無毒且不可壓縮,，形成的過濾層不會(huì)因操作壓力變化而阻力變化，因此,，也是一種良好的助濾

11,、劑。硅藻土過濾介質(zhì)通常有三種用法：作為深層過濾介質(zhì),、作為預(yù)涂層,、作為助濾劑,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,2. 過濾介質(zhì)的選擇（1）良好的過濾介質(zhì)應(yīng)滿足的要求 ： 過濾阻力小，濾餅容易剝離,，不易發(fā)生堵塞,。 耐高溫、耐腐蝕,、強(qiáng)度高、容易加工,，易于再生,，廉價(jià)易得。 過濾速度穩(wěn)定,，符合過濾機(jī)理,，適應(yīng)過濾機(jī)的型式和操作條件。（2）選擇時(shí)應(yīng)考慮的因素 選擇過濾介質(zhì),，首先要了解過濾目的,，其次需要掌握如下一些數(shù)據(jù)和資料： 固體顆粒的性質(zhì)，包括顆粒的尺寸,、形狀以及相對(duì)密度的大小,。顆粒尺寸是我們根據(jù)介質(zhì)能截留的最小顆粒來選擇合適過濾介質(zhì)的依據(jù)。如表8-2所示,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,表8-2 各類介質(zhì)能截留的最小

12,、顆粒(單位m),8.2 過濾速度的強(qiáng)化, 液體的性質(zhì) 包括液體的酸堿性、溫度,、粘度和相對(duì)密度等,。 濾漿的性質(zhì) 包括固-液比、顆粒的聚集作用,、粘度等,。 濾餅的性質(zhì) 包括濾餅的比阻力、可壓縮性,、潔凈性,、松散性、可塑性等,。 生產(chǎn)率 了解生產(chǎn)率有助于確定合適的過濾推動(dòng)力,。（3）過濾介質(zhì)選擇的方法 過濾介質(zhì)種類繁多，過濾機(jī)型式多種多樣,，濾漿的性質(zhì)及分離條件,、目的各不相同，使得過濾介質(zhì)的選擇并非輕而易舉,。正確選擇過濾介質(zhì),，一是靠經(jīng)驗(yàn),，二是靠實(shí)驗(yàn)。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,8.2.3 過濾操作條件的優(yōu)化從化工原理的學(xué)習(xí)知道,，過濾方程為：式中t 過濾時(shí)間,，sV濾液體積，mp過濾壓力差,，Pa濾液粘度,，Pasr0

13、濾餅的質(zhì)量比阻,，1/ m濾餅層的厚度,，mR濾布阻力，1/mF過濾面積,，m,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,1改善懸浮液的物理性質(zhì) 主要是降低濾液粘度,，減少濾餅的體積比阻力及濾餅層厚度。加熱是降低濾液粘度最有效可行的方法,。在過濾操作中,，如果操作條件允許，盡可能采用加熱過濾,。另外,，有些懸浮液還可以用其它方法降低粘度。如在啤酒糖化中加入適量的-葡萄糖苷酶,，由于-葡萄糖苷酶的降解作用可降低麥汁的粘度,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,濾餅的體積比阻力與濾餅毛細(xì)孔直徑、毛細(xì)孔彎曲因子有關(guān),。增大濾餅毛細(xì)孔直徑,，減少毛細(xì)孔彎曲因子，有利于降低濾餅的體積比阻力,，工業(yè)生產(chǎn)中常用的方法是在懸浮液中加入絮凝劑,，使細(xì)小的膠體粒子“架

14、橋”長(zhǎng)大,，從而形成大孔徑的濾餅層,。加入固體助濾劑可降低濾餅層的可壓縮性，使毛細(xì)孔彎曲因子變小,。 對(duì)于固體含量較大的懸浮液,，過濾前可采用重力沉降和離心沉降的方法分離出大部分粒子，再進(jìn)行過濾操作,，這樣可使濾餅層厚度減小,，提高過濾速率，延長(zhǎng)過濾周期,。,8.2 過濾速度的強(qiáng)化,2優(yōu)化操作條件 優(yōu)化操作條件的目的主要是提高過濾速率,，對(duì)于不可壓縮濾餅,，濾餅的體積比阻力為一常量，過濾壓差大,，推動(dòng)力大,，過濾速度快。此種情況下,，在過濾介質(zhì),、過濾設(shè)備允許的機(jī)械強(qiáng)度范圍內(nèi)，盡可能采用加壓過濾,。然而,，發(fā)酵液過濾所形成的濾餅通常是高度可壓縮的，在一定的壓力差范圍內(nèi),，提高壓力差有利于加大過濾速度，但當(dāng)壓力差超過某一值后,，

15,、繼續(xù)增加壓力差反而會(huì)降低過濾速度，其原因較復(fù)雜,，這里不作研究,。,返回,8.3 過濾設(shè)備,過濾設(shè)備按操作方式可分為間歇式過濾機(jī)和連續(xù)式過濾機(jī)；按照采用的推動(dòng)力可分為重力過濾機(jī),、加壓過濾機(jī),、真空過濾機(jī)和離心過濾機(jī)。目前,，工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的板框式過濾機(jī)和葉濾機(jī)均為加壓過濾機(jī),、回轉(zhuǎn)式過濾機(jī)則為真空過濾機(jī)。分別介紹如下,。8.3.1 加壓過濾設(shè)備1板框式過濾機(jī) 板框式過濾機(jī)有間歇式和自動(dòng)式兩種操作方式,。間歇式過濾機(jī)是一種傳統(tǒng)的過濾設(shè)備，在發(fā)酵工業(yè)中廣泛應(yīng)用于培養(yǎng)基制備的過濾及霉菌,、放線菌,、酵母菌和細(xì)菌等多種發(fā)酵液的固液分離。以下介紹間歇式板框式過濾機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理,。,8.3 過濾設(shè)備,（1）板框式過濾機(jī)的操作和結(jié)構(gòu) 板框式過濾機(jī)是由許多塊濾板和濾框交替排列而成,。一端固定另一端可以讓板框移動(dòng)。板和框之間隔有濾布,，用壓緊裝置自活動(dòng)端方向壓緊或拉開,。圖8-1表示板框式過濾機(jī)的裝置情況。 濾板和濾框多做成正方形,，數(shù)目從10-60不等,，每機(jī)的濾板和濾框數(shù)目,，由生產(chǎn)能力和懸浮液的情況而定。,8.3 過濾設(shè)備,圖8-1 板框式過濾機(jī),